王阳元:征途漫漫中国“芯”

编者按:百余年来,北京大学始终与国家和民族同呼吸、共命运。特别是北大的广大离退休老同志在劈波斩浪中开拓前进,在披荆斩棘中开辟天地,他们的功业载入史册,他们的精神历久弥新。这里是北大一批老同志的回忆文章。他们的回忆,从不同的侧面,勾画出北京大学的发展历程,记述了许多鲜为人知的故事,是了解北大历史,乃至中国高等教育史的珍贵史料,也为我们理解北大传统、传承北大精神提供了一本生动的教科书。这是一封穿越时空的来信,更是一份矢志报国、不懈奋斗的青春宣言。

人物简介:王阳元,1935年1月生,浙江宁波人。1953年考入北京大学物理系,1958年毕业留校任教,1995年当选为中国科学院院士,是北京大学微电子学科奠基人和我国集成电路产业的开拓者之一。主要从事微纳电子学领域中新器件、新工艺和新结构电路的研究。

求学岁月

我出身于一个贫寒之家,我的父亲按现在的说法是一个个体户,经营柴米油盐酱醋酒,养活着一家人。尽管家境困难,但是父母对我们的要求极严,他们嘱咐我们绝不可以与他人比吃比穿,唯有认真读书求上进是正道。

学校教育对我的成长起的作用是关键性的。我有幸在一生中受教于三个百年名校,即柴桥小学、宁波中学和北京大学。

小学阶段我就认真学习,从我记事起成绩就一直名列前茅。如果在哪次考试中偶然得了第二名,我就感到对不起父母,羞愧难当。

1947年,申慱备用网址:我小学毕业,以宁波市镇海区统考第一名的成绩考上了浙江省立宁波中学。1949年5月25日,在我中学二年级的时候,宁波解放了;同年10月,新中国成立了。

宁波解放之后,舟山群岛还没有完全解放,国民党还盘踞在舟山群岛,几乎天天派飞机来轰炸。我不得不休学回到家。每天早上,我挑起装着全家细软的箩筐跟着家人去山里躲避,晚上飞机没法来了,我们再回到家里。每天这样来回奔波。1950年5月19日,舟山群岛全部解放,我们才稳定下来。休学半年后,我坚决要继续读书,父母也不忍心耽误我的学习,倾其所有,供我求学,于是我恢复了中学学习。我中学的学习和此后大学的学习都是靠助学金才得以完成的,是人民培育了我,是党培育了我。

对我一生影响最深的学校,除了北京大学之外,就数浙江宁波中学了。宁波中学是以治学严谨、管理有方而著称的。中学阶段对我来说最大的影响有三个:

第一,使我养成规律的生活习惯。入学以后我们学生全部住宿在学校里,过着十分有规律的生活,这使我养成了读书做学问的好习惯。上课我专心听讲,效率很高,因此课下我可以有很多时间去读课外书,获取多种知识,这促使我在后来的科研中注意多方面积累知识,拓展思路。我在中学时,把萨本栋的《普通物理学》看了,后来考北大物理系也和这有关。

第二,为我树立了革命的进步的人生观。在课外书阅读中,我阅读了不少优秀的文学作品,例如《钢铁是怎样炼成的》《普希金诗篇》等,这些对我树立正确的世界观和人生观都有着深刻的影响。我特别喜欢《居里夫人传》,为此,我立下了人生的志向:成为一名对祖国、对人民有贡献的科学家。记得我当时写了一篇作文:《未来的科学家——宇耕在成长》,“宇耕”是我给自己起的一个名字,意为“宇宙的耕耘者”。我的语文老师看了以后很高兴,在班上还表扬了我。这个从小立下的志向成为我日后工作的强大精神动力。

第三,为我健康的体魄打下了基础。我喜爱各种体育运动,每天去操场跑步,我曾经是宁波中学中长跑1500米和5000米田径记录的保持者。体育锻炼不仅为我身体健康打下了基础,而且我认为体育锻炼与科学研究有许多地方是相通的。跑400米最累的是在200米左右弯道的地方,挺住了,你就能坚持到底;跑1500米时,我最喜欢向终点冲刺的时刻,当大家都疲劳不堪时,我喜欢鼓足力气冲向终点,去夺取胜利。搞科学研究、著书立说又何尝不是如此呢?胜利往往产生于坚持,最困难的时候咬牙坚持下来,就会接近胜利,越困难,越要坚持,最终就能享受胜利的喜悦。

中学阶段,我就很喜欢物理课。考入北京大学物理系是我的第一志愿,也是我人生道路的一个新起点。

刚到北京时,我不太习惯,南方人也吃不惯馒头。那时北京有沙尘暴,经常飞沙走石,我全身过敏。1952年院系调整后,物理系招进180多名同学,上大课时会有300多人。大学的生活是比较艰苦的,当时我们住在第二体育馆,我睡在看台的水泥地上,铺上一个草席就是床,个人用品放在枕头边上。

尽管条件艰苦,但是我的信念就是“求学”“学问”:求学就是求着学;学问就是学着问。这是我最难忘的时期之一。

经过院系调整,北大物理系大师云集。我非常荣幸地接触到了黄昆、王竹溪、虞福春、周光召等物理学大师。我进入北京大学后的第一位老师就是黄昆教授。黄昆教授严谨的治学态度和对物理学深入剖析及卓越的逻辑思维能力,对我一生的治学都有着深刻的影响。在很多方面,他影响着我的科学研究和培养学生的方法。

在学习过程中,我逐渐掌握了学习的规律。除了听课以外,讨论也是非常好的学习方式。我每天吃完晚饭就和同学讨论问题,往往就一个物理概念争论不休,有时争论得面红耳赤,当有了统一认识,大家才相对一笑欣然而散。

当时考试是学习苏联的口试形式。考试时老师坐在一个教室,我们抽签,抽到题先在另一个教室准备,然后去和老师面对面答题。我的多数考试成绩都是优,特别是黄昆教授的两次口试,我都取得了很好的成绩,他还问过我:“你以前是不是当过老师?”但也有教训,有一次数理方程课的考试,我之前有一个问题没有深入理解,于是死记硬背想记住它,结果考试我恰好抽到这道题,但死记硬背的知识应付不了口试,这门课我最终的成绩是及格。正如毛主席所说:“感觉到了的东西,我们不能立刻理解它;只有理解了的东西才能更深刻地感觉它。”(《毛泽东选集》第一卷,人民出版社1991年版,第286页)这个教训让我终生难忘,此后我治学、科研一定要求自己做到彻底理解搞懂。我也是这样教育我的学生的。

1956年,周总理亲自主持制定了《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要》(简称为《十二年科学技术发展规划》),半导体是重点方向之一,五校(北京大学、复旦大学、南京大学、厦门大学和东北人民大学)在北京大学联合举办半导体专门化,培养人才。北京大学又云集了一批以黄昆教授和谢希德教授为首的优秀半导体教师,我有幸作为第一批学生被重点培养,学习有关半导体理论与技术的多方面知识,这为我长期在微电子领域开展工作奠定了扎实的基础。

科研之路

1958年,我毕业之年,集成电路在美国发明,揭开了信息时代微电子芯片创新的序幕。从此我就与集成电路结下了终身之缘。

到2019年,集成电路已经发明61年,它已如同组成人体的细胞一样,和软件一起成为信息社会的基础元素,无处不在,成为人们生活和产业发展中不可或缺的必需品。集成电路的科学技术水平和产业规模已成为衡量一个国家综合实力的标志之一,是当之无愧的国之重器。

从教61年来,我体会最深的两句话是:科学研究的本质在于创新,教书育人的灵魂在于启迪。在我的科研之路上发生了很多事,在此我想重点回忆六件事。

硅栅N沟道1024位MOS动态随机存储器的研发过程

1969年,我们聚焦于研发大规模集成电路。那个时期,我在反复思考一个问题:选择什么样的课题才能对国家微电子产业发展有更大贡献,并能立足国际微电子技术发展前沿?带着这个问题,我和同事们开展了深入的调查研究。在调研过程中,图书馆常有一个角落的灯光亮到凌晨两三点。经过近半年时间的调查研究和数十次的专业讨论,大家一致认为:硅集成电路存储器由于其稳定、可靠并可以低成本大批量生产的特性,必将替代磁芯存储器;而在半导体存储器中,当时又以硅栅N沟道技术性能最好,集成密度又高,因此硅栅N沟道技术必然能成为对产业最有影响力的微电子前沿技术。我们最后选定了这个方向,决心研制硅栅N沟道1024位MOS动态随机存取存储器(DRAM)。我担任该课题领导小组组长。

经过6年多坚持不懈的奋斗,我们采用了多种途径来消除技术瓶颈的困扰,在无数次失败的基础上总结科学规律,终于克服了设计掩膜版制作、硅栅薄膜生长和氧化层离子沾污等多项技术难题,1975年研制成功了国内第一块3种类型(硅栅P沟道、铝栅N沟道和硅栅N沟道)1024位MOS动态随机存取储存器,独立自主地开发出了全套硅栅N沟道技术,被称为我国MOS集成电路技术和产业发展过程中具有里程碑意义的事件。它比Intel公司研制成功硅栅N沟道MOS DRAM只晚了4年,因此获得了1978年全国科学大会奖。研究的过程非常艰辛,有人说是这用“汗水”浇灌成的,我说是用“鲜血”凝成的,因为每研制成功一块电路,我的十二指肠就会出血一次,最严重的一次是我从实验室走廊被直接送到北医三院去急救。

我们获得初步成功和成果之后,没有孤芳自赏。为了提高全国集成电路产业技术水平,我们组织了3期短训班,无偿地将苦苦奋斗了6年得到的科研成果的设计版图转给20多个单位。不仅如此,我们还派出小分队去相关公司讲课、辅导,帮助同行解决技术上的困难,让他们以最快的速度使我国MOS集成电路技术和产业水平上了一个新的台阶。北京大学微电子学研究所也因此一直被认为是硅栅N沟道技术的主要发源地和开拓者。

奋战“1024”的革命精神和科学分析精神一直是我们微电子学研究所的光荣传统,也是我们此后不断取得科技攻关胜利的宝贵精神力量。“1024”精神就是面对国家的急需,不怕困难,迎难而上,分析困难,解决困难,是大无畏的革命精神与理性地提出问题、分析问题和解决问题的科学精神相结合的典范。

多晶硅薄膜物理和MOS绝缘层物理研究

在总结硅栅N沟道1024位MOS动态随机存取存储器研制经验基础上,我认为还有两个技术的科学规律没有被充分理解与掌握,需要我们进一步加强研究。于是,我们开展了对多晶硅薄膜物理和MOS绝缘层物理的系统研究。

在多晶硅薄膜研究方面,我们首先针对多晶硅薄膜氧化层增强氧化现象对集成电路成品率和性能影响这一关键因素进行研究。对多晶硅薄膜存在晶粒间界的物理特征,提出了是晶粒间界在氧化过程产生的应力导致了氧化增强现象的观点。为此开展的TEM(透射电子显微镜)实验证明了这个推测理论的正确性,我们还总结提出“应力增强氧化”模型,进一步据此推导出了指导多晶硅薄膜氧化的工程方程和特征参数。

MOS绝缘层物理研究则是另一个来源于实践过程的研究课题,当时在1024位MOS DRAM研究过程里栅氧化层中离子沾污引起的硅表面反型和阈值电压不确定,导致我们1024位存储器常常做不出来,这促成了我们多位教授(主要是谭长华、许铭真、吉利久等)之间的合作,系统研究氧化层中离子沾污的测试方法和它的规律,这些工作的深入研究使北大微电子所MOS绝缘层物理研究室跃进了世界水平的行列。

研究科学问题要善于抓住事物的本质特征,例如多晶硅薄膜的本质特征是存在晶粒间界,然后以此出发,提出问题,分析问题,并解决问题。这是对一个从事教学和科研的人员的基本素质要求。

ICCAD三级系统和集成电路产品开发

20世纪80年代初,我国加大发展集成电路产业的力度,为此首先要发展设计业。谁掌握集成电路计算机辅助设计(ICCAD)工具(被称为“皇冠上的明珠”),谁就掌握了主动权。当时我国政府曾与法国谈判,试图通过技术引进来解决软件工具的源程序问题,但由于“巴黎统筹委员会”对华禁运高新技术,使我们下决心自己组织力量来开发大规模集成电路计算机辅助设计系统。

这是一项战略性的任务。时任电子工业部部长李铁映同志专门邀请我出来担纲。1986年,我受命担任全国ICCAD专家委员会主任和全国ICCAT专家委员会主任。为确保成功完成这项使命,在电子工业部和微电子局的领导下,我组织总体组,设定了以研制成功满足产业发展和国防建设需要的具有自主知识产权的集成化、实用化的大型ICCAD系统为目标;组织了全国包括高等院校、科学院和工业研究部门各单位从事ICCAD软件工具开发研究与应用的优秀人才,联合攻关、集中开发;同时,组织力量,引进国外先进技术和人才,制定了国内外相结合的工作方针。

在全国联合攻关会上,我说:“国家的需要就是我们科技人员报效祖国的方向,现在就是我们报国的最好时机。我们一定要急国家所急。我们一定要科学分析,锲而不舍,集中力量打歼灭战,解决问题。”“不解决这个问题,我‘决不罢休’!”

经过6年的奋斗,我们成功研制了全国第一个按软件工程方法开发的大型集成化的超大规模集成电路计算机辅助设计系统,该项目获得国家科技进步一等奖。这使我国继美国、西欧、日本之后进入能自行开发大型ICCAD系统的先进国家行列,不仅打破了西方国家对我实行的封锁,而且为我国集成电路设计业奠定了重要的技术基础。这一成果使我国扬眉吐气,从此能够在平等基础上与西方国家谈国际合作与交流。这是我最自豪的一件事。

1992年,时任国家主席江泽民等中央领导亲自听取我们的成果汇报。时任机电部副部长曾培炎同志指着我对李铁映同志说:“你当年把他请出来主持这项工作,现在他圆满地完成了任务。”

参与特种应用集成电路的研究

现代战争是信息化战争,微电子是信息化装备的基础,建设自主的微电子预研体系则是一项基础工程。1988年,中国电子科学研究院组建电子预研管理机构,成立了先进微电子技术专家组,邀请我担任组长。在此基础上,1990年国防科工委成立了微电子技术专业组,我同时担任国防科工委科技委兼职委员和微电子专业组组长,组织开展先进微电子预研系统建设。

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